Содержание к диссертации
Глава 1.
Глава 2. Глава 3.
3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1.
3.3.2.
3.3.3.
3.3.4.
3.3.5. 3.3.6.
Глава 4.
4.1. 4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
4.1.4.
4.1.5.
4.2. 4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
Особенности гидрометеорологических условий и
экосистемы Баренцева моря
Материалы и методы анализа данных
Внутригодовая изменчивость температуры воды Баренцева
моря
Внутрисуточная изменчивость
Внутримесячная и внутрисезонная изменчивость
Сезонная изменчивость
Параметры климатического сезонного хода температуры
воды на различной глубине
Сезонные колебания температуры воды на различной
глубине в теплые и холодные годы
Пространственные различия параметров сезонной
изменчивости средней послойной температуры воды
Аппроксимация среднемноголетнего сезонного хода
послойной температуры воды на стандартных разрезах и
определение ее суточных норм
Сезонная трансформация вертикальной термической
структуры вод и гидрологические сезоны
Внутригодовая динамика климатических границ водных мае
и их термохалинных характеристик
Межгодовая изменчивость температуры воды и колебания
климата Баренцева моря
Межгодовая изменчивость температуры воды
Особенности межгодовой изменчивости температуры воды
в различных районах
Закономерности внутренней структуры межгодовых
колебаний температуры воды различных слоев
Межгодовая изменчивость температуры воды в различные
сезоны
Продолжительность сохранения аномалий температуры
воды одного знака
Многолетние изменения объемов вод разного генезиса
летом на разрезе "Кольский меридиан"
Климатическая система Баренцева моря
Многолетние колебания температуры воздуха в Северной
Атлантике и Северо-Европейского бассейне
Межгодовая динамика основных индикаторов климата
Баренцева моря
Сопряженность межгодовых колебаний
космогеофизических индексов и показателей циркуляции
Стр.
Глава 5. 5.1.
5.2. Глава 6.
6.1.
6.1.1.
6.1.2.
6.2.
6.3.
атмосферы с температурой воды 207
Прогнозы термического состояния вод Баренцева моря 232
Краткосрочное прогнозирование температуры воды
Баренцева моря 232
Долгосрочные прогнозы температуры воды Баренцева моря 242
Влияние температуры воды и других факторов среды на
динамику численности и распределение зоопланктона и
трески Баренцева моря 254
Влияние гидрометеорологических факторов на динамику
численности и распределение зоопланктона 256
Метод прогноза индекса численности молоди эвфаузиид с
учетов влияния абиотических факторов 256
Роль абиотических условий в формировании биомасс и
распределение зоопланктона в центральной части
Баренцева моря летом 264
Методы прогноза численности молоди северо-восточной
арктической трески на разных стадиях ее развития 288
Диагностическая модель плотности распределения трески
Баренцева моря на основе учета абиотических факторов 305
Заключение 319
Список использованной литературы 325
Введение к работе
В Баренцевом море имеются значительные природные биологические и углеводородные ресурсы. Многолетний мониторинг его экосистемы показал, что сезонное распределение рыб и межгодовая динамика их численности и биомассы, а также беспозвоночных и других добываемых видов испытывают значительные вариации, которые во многом определяются изменчивостью характеристик окружающей среды. Результаты исследований закономерностей развития атмосферных и океанографических процессов в районе Баренцева моря и оценка влияния колебаний их параметров на биологическую продуктивность вод служат научной основой для долговременного и экономически эффективного промысла гидробионтов. Международный опыт добычи полезных ископаемых на морском шельфе говорит о том, что экологически безопасная разведка, извлечение и транспортировка углеводородного сырья на морском шельфе, а также другая деятельность невозможны без учета особенностей пространственно-временной изменчивости параметров состояния атмосферы и морских вод. Поэтому результаты исследований гидрометеорологического режима для обеспечения различных видов работ в Баренцевом море являются очень актуальными.
Среди факторов среды температура - наиболее важная физическая характеристика морских вод. Она используется для оценки интенсивности теплообмена океана с атмосферой, адвекции тепла течениями, вертикальной стратификации водной толщи и других процессов. Особую значимость имеют исследования динамики климата Баренцева моря, расположенного между двумя океаническими системами - теплой Атлантикой и холодной Арктикой. Их результаты во многом способствуют разработке более эффективных методов долгосрочных и перспективных прогнозов теплового состояния вод моря, необходимых для заблаговременной оценки его биопродуктивности, планирования экономических и социальных мероприятий в регионе.
Температура воды как важнейший абиотический фактор определяет сроки начала и интенсивность продуцирования первичного органического вещества, скорость обменных процессов и созревания половых продуктов у организмов, их двигательную и пищевую активность и другие особенности функционирования экосистем (Риклефс, 1979; Промысловая океанография, 1986; Гер-шанович, Елизаров, Сапожников, 1990). Исследования влияния изменчивости в пространстве и во времени этой и других характеристик морских вод на биоту позволяют оценить степень воздействия факторов среды на представителей различных трофических уровней, что является важной научной и прикладной задачей промысловой океанографии. Разрабатываемые на их основе методы диагноза и прогноза развития биоценозов и динамики показателей эксплуатируемых популяций необходимы для выработки научных рекомендаций по рациональному использованию биологических ресурсов морей и океанов.
Северо-восточная арктическая треска - один из ключевых видов баренце-воморской экосистемы и наиболее ценный объект промысла. Несмотря на многолетние исследования влияния абиотических и биотических факторов на ее
распределение и динамику численности, ряд вопросов по-прежнему требует рассмотрения, а некоторые ранее полученные результаты существенного уточнения. Одной из наиболее важных научных и прикладных задач рыбохозяйст-венной науки является заблаговременная оценка численности каждого годового класса трески, достигшей промыслового возраста. Это необходимо для прогнозирования динамики ее промыслового запаса и определения общего допустимого улова рыбы. Задача не имеет простого решения, поскольку существуют значительные межгодовые колебания урожайности поколений, вызванные изменчивостью комплекса абиотических и биотических условий, при которых формируется мощность отдельных генераций популяции.
Большинство рыб Баренцева моря и их молодь в определенные периоды годового жизненного цикла питаются зоопланктоном, сезонные и межгодовые изменения распределения и биомассы которого определяют состояние кормовой базы рыб. Поэтому актуальными являются исследования влияния внешней среды на динамику численности не только промысловых видов ихтиофауны, но и объектов их питания, в частности ракообразных.
Цель работы: исследование закономерностей колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов, разработка методов ее краткосрочного и долгосрочного прогноза, а также создание диагностических и прогностических моделей динамики численности и распределения зоопланктона и северо-восточной арктической трески.
Основные задачи:
оценка параметров внутрисуточных, внутримесячных, внутрисезонных, сезонных и межгодовых колебаний температуры воды Баренцева моря и анализ их пространственной неоднородности;
выявление основных циклических компонент в межгодовой изменчивости гидрометеорологических факторов, характеризующих климат Баренцева моря;
исследование закономерностей крупномасштабных колебаний индикаторов климата Баренцева моря в XX - начале XXI в. и причин, вызывающих его потепление и похолодание;
оценка сопряженности многолетней изменчивости некоторых космогео-физических сил и циркуляционных факторов атмосферы с температурой воды;
разработка методов краткосрочного и долгосрочного прогноза температуры воды Мурманского течения;
выявление основных абиотических факторов, влияющих на распределение мезозоопланктона и трески Баренцева моря;
разработка методов прогноза пополнения макрозоопланктона и промыслового запаса баренцевоморской трески.
Основные гипотезы:
- физико-химические и биологические процессы на Земле протекают под
влиянием экзогенных и эндогенных факторов. На динамику численности и рас
пределение гидробионтов значительное воздействие оказывают основные ха
рактеристики состояния морских вод - среды их обитания. Циклические долго
периодные колебания температуры воды генерируются главным образом рит-
мическими вариациями параметров взаимодействующих крупномасштабных циркуляционных систем атмосферы и вод Северной Атлантики. Определенное влияние на интенсивность и направленность водных и воздушных масс этих систем могут оказывать космогеофизические силы, вызывая близкие по продолжительности циклические изменения их характеристик;
- исследования сложной структуры изменчивости численности и биомассы популяций целесообразно проводить методом выделения циклических составляющих в их динамике и выявлять близкие по периодам ритмы в колебаниях влияющих факторов. Реакция организмов на эти воздействия чаще всего происходит с временным запаздыванием, зависящим от интенсивности энергоинформационных потоков, трофического статуса гидробионтов и региональных особенностей функционирования экосистем. Эту закономерность причинно-следственных связей можно использовать при разработке методик прогноза промыслово-биологических показателей различной заблаговременности.
Научная новизна. Впервые выполнена количественная оценка вклада колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов (от внутрисуточных до межгодовых) в ее суммарную изменчивость.
Впервые выявлены неоднородности параметров сезонного хода температуры воды разного генезиса в теплые, умеренные и холодные годы.
По данным наблюдений продолжительностью более 100 лет установлено, что после второго десятилетия XX в. межгодовые колебания основных параметров климатической системы Северо-Европейского бассейна стали проходить на более высоком среднем уровне.
Предложен интегральный индекс, с помощью которого впервые выполнен анализ закономерностей крупномасштабных колебаний климата Баренцева моря в 1900-2007 гг.
Впервые проведено сравнение уровня теплового состояния воздуха над Баренцевым морем, его воды и ледовитости при потеплении Арктики в первой половине XX в. и в современный период (конец XX - начало XXI вв.) и определены наиболее вероятные причины повышения температуры воздушных и водных масс и уменьшения ледовитости моря в эти климатические фазы.
Разработаны новые методы краткосрочного и долгосрочного прогноза температуры воды Мурманского течения, в которых используется свойство аналогичности развития гидрометеорологических процессов, а также наличие хорошо выраженной полициклической структуры ее колебаний.
Впервые выявлены абиотические и биотические факторы, оказывающие влияние на распределение зоопланктона и баренцевоморской трески, и установлены их диапазоны, при которых формируются скопления этих видов определенной плотности. Предложена прогностическая модель динамики численности молоди эвфаузиид.
Разработаны три новых метода прогноза урожайности поколений баренцевоморской трески с использованием оценок численности ее молоди на различных стадиях развития.
Практическая значимость. Выявленные закономерности колебаний температуры воды различных временных масштабов могут быть использованы
при изучении процессов тепло- и массообмена морских вод и атмосферы, изменчивости климата, а также при математическом моделировании развития физических процессов и функционирования экосистемы Баренцева моря.
Рассчитанные нормы средней послойной температуры воды на стандартных разрезах Баренцева моря на каждые сутки года позволяют в морских и береговых условиях более точно определять ее аномалии на дату наблюдений по сравнению с ранее применяемыми методами линейной и графической интерполяций.
Полученные режимные характеристики колебаний температуры воды используются при подготовке рекомендаций по выбору и размещению хозяйств промышленной аквакультуры в губах и заливах Мурмана, климатических атласов и справочных материалов для работников рыбной отрасли, нефтегазового комплекса, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, а также других видов деятельности в море и на побережье.
Представленный в работе сценарий будущего состояния климата Баренцева моря может быть учтен при перспективном планировании экономических и социальных аспектов развития северо-западного региона России.
Прогнозы температуры воды Баренцева моря, составляемые с помощью разработанных автором методов, используются при формировании месячных и квартальных прогнозов распределения промысловых объектов в море, а также при долгосрочном и перспективном прогнозировании величины пополнения промысловых запасов гидробионтов и состояния сырьевой базы их промысла.
Предложенные диагностические и прогностические модели распределения и динамики численности зоопланктона позволяют по данным о состоянии внешней среды оценить возможный потенциал кормовой базы промысловых рыб и их молоди в Баренцевом море в период летнего нагула.
Методы прогноза численности молоди северо-восточной арктической трески на различных стадиях ее развития применяются при прогнозировании уровня пополнения промысловой части популяции, что необходимо для заблаговременной оценки запаса и общего допустимого улова рыбы.
Результаты исследований использовались при разработке лекционных и практических курсов для преподавания физической и промысловой океанография в Мурманском государственном педагогическом университете.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты многолетних исследований автора в области региональной физической и промысловой океанографии. Выдвижение гипотез, постановка задач, расчеты с помощью различных математических методов, выполнение графических работ осуществлялись им лично. Диссертант принимал участие в организации и проведении наблюдений, анализе полученных материалов в 10 комплексных морских экспедициях, а также в течение многих лет осуществлял сбор данных в губах и заливах Баренцева и Белого морей, их обработку и систематизацию, тем самым внес определенный вклад в формирование океанографической базы данных ПИНРО. Опубликованы метаданные за 1900-2000 гг., в которых представлена необходимая для работы с первичными материалами информация о рейсах научно-исследовательских и научно-поисковых судов в Баренцевом море и со-
предельных водах.
На защиту выносятся:
Закономерности колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов (внутрисуточные, внутримесячные, сезонные, межгодовые, внутривековые).
Структура долгопериодных колебаний температуры воздуха в Северной Атлантике и Северо-Европейском бассейне и воды в Баренцевом море.
Генезис крупномасштабных вариаций климата Баренцева моря в XX -начале XXI вв.
Методы краткосрочного и долгосрочного прогноза температуры воды Баренцева моря.
5. Результаты исследований влияния температура воды и других факторов на распределение зоопланктона и трески Баренцева моря, а также прогностические модели динамики численности их молоди.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, были представлены и доложены на конференциях по промысловому прогнозированию (Мурманск, 1983; 1989; 1995; 2001; 2004; Калининград, 2008); на конференциях по промысловой океанологии (Калининград, 1993; 1999; 2002; 2005; 2008; Санкт-Петербург, 1997); на 3-м советско-норвежском симпозиуме (Мурманск, 1987); на конференциях по изучению морских экосистем (Мурманск, 1994; 1995; 1999; 2000; Tromso, Norway, 1995; St.-Peterburg, 1999; Астрахань, 2001; Москва, 2002); на отчетных сессиях ПИНРО (Мурманск, 1993; 1998; 2000); на международных конференциях «Циклические процессы в природе и обществе» (Ставрополь, 1994; 1995; 1999); на международном симпозиуме «Hydrobiological variability in the ICES Area, 1990-1999» (Абердин, Шотландия, 2001); на российско-норвежских симпозиумах (Мурманск, 1999; 2002; 2005; 2006; 2007); на Международной конференции «Рациональное природопользование и управление морскими биоресурсами: экосистемный подход» (Владивосток, 2003); на VII Международном конгрессе по истории океанографии, (Калининград, 2003); на XII съезде Русского Географического Общества (Кронштадт, 2005), на VI Международной конференции «Комплексные исследования природы Шпицбергена» (Мурманск, 2006); на VIII Международной конференции «Природа шельфа и архипелагов европейской Арктики» (Мурманск, 2008), на заседании Научно-консультационного совета по биологическим ресурсам Мирового океана, Секции промысловой океанологии и Секции по Белому морю Федерального государственного учреждения «Межведомственная ихтиологическая комиссия» (Москва, 2008).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 46 научных работах, в том числе в 10 коллективных монографиях. 8 статей вышли в ведущих рецензируемых научных журналах перечня ВАК, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук. Результаты исследований колебаний температуры воды Баренцева моря различных временных масштабов и разработанные методы ее прогнозирования с различной заблаговременностью изложены в монографии диссертанта (Бойцов, 2006).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Ее объем составляет 355 страницы, включая 48 таблиц и 168 рисунков. Список использованной литературы имеет 514 наименований, из них 100 на иностранных языках.
Автор благодарит А.П. Алексеева, сотрудников ПИНРО СВ. Беликова, Б.И. Беренбойма, В.А. Боровкова, В.В. Гузенко, А.В. Долгова, Н.В. Мухину, А.Б. Карасева, М.А. Новикова, В.К. Ожигина, Э.Л. Орлову, А.П. Педченко, О.В. Титова, В.Л. Третьяка, сотрудников РГТМУ А.С. Аверкиева, Д.В. Густоева, Т.Р. Еремину, И.П. Карпову, В.А. Царева, М.Б. Шилина за обсуждение результатов, советы и консультации.
